Konkurs: OPUS 28
Tytuł: Zielona-nieskończoność: Multi-Mix-MOF urodzone z PET do produkcji paliw słonecznych
Kwota dofinansowania: 2 216 480 PLN 
Numer projektu: 2024/55/B/ST4/00138
Realizacja: 01.10.2025-30.09.2029 
Instytucja: Narodowe Centrum Nauki 
Funkcja: Kierownik, główny wykonawca 
Skład zespołu: mgr Mateusz Adam Baluk (kierownik projektu), dr inż. Marta Kowalkińska (post-dock)

Streszczenie

Projekt ma na celu stworzenie innowacyjnych Multi-Mix struktur metalo-organicznych (MOF) z wykorzystaniem organicznych linkerów pochodzących z recyklingu odpadów plastikowych PET. Celem jest synteza nowatorskich MOF z wieloma centrami metalicznymi w jednej strukturze, wykazanie ich wysokiej aktywności katalitycznej w depolimeryzacji PET, przedstawienie ich doskonałej wydajności fotokatalitycznej w konwersji CO₂ do wartościowych paliw i generowaniu wodoru oraz zbadanie, jak różne metale wpływają na właściwości tych materiałów. Poprzez przekształcenie odpadów PET w wartościowe linkery, takie jak kwas tereftalowy (TA) i bis(2-hydroksyetyl) tereftalan (BHET), projekt adresuje problem zanieczyszczenia plastikiem i redukuje koszty produkcji MOF. Te recyklingowane linkery stają się budulcem dla Multi-Mix-MOF, które mogą być ponownie używane jako katalizatory do dalszego recyklingu polimerów oraz jako fotokatalizatory do produkcji paliw solarnych. Włączenie różnych metali do struktur MOF zwiększa efektywność fotokatalityczną. Wielokrotne centra metaliczne poprawiają separację nośników ładunku, redukując rekombinację par elektron-dziura i zwiększając aktywność pod wpływem światła widzialnego. Umożliwia to materiałom absorpcję większej ilości światła słonecznego, co jest niezbędne dla praktycznych zastosowań energii słonecznej. Różnorodne metale dodatkowo zwiększają selektywność, stabilność i tworzą efekty synergiczne wykraczające poza możliwości MOF z pojedynczym metalem. Znaczenie projektu polega na jego potencjale do przyczynienia się do rozwiązań w zakresie energii odnawialnej i redukcji gazów cieplarnianych. Fotokatalityczna konwersja CO₂ i generowanie wodoru są kluczowe dla łagodzenia zmian klimatycznych. Opracowanie wydajnych fotokatalizatorów działających pod wpływem światła widzialnego jest kluczowe dla wykorzystania energii słonecznej na dużą skalę. Badania obejmują syntezę Multi-Mix-MOF zarówno do depolimeryzacji PET, jak i zastosowań fotokatalitycznych. Projekt będzie optymalizować warunki reakcji w celu poprawy wydajności i selektywności, wykorzystując zaawansowane techniki charakteryzacji do zrozumienia właściwości materiałów. Wydajność fotokatalityczna będzie oceniana w procesach generowania wodoru i konwersji CO₂, z celem osiągnięcia wysokiej wydajności pod wpływem światła widzialnego. Podsumowując, „Green-infinity” to przyszłościowy projekt podejmujący wyzwania środowiskowe poprzez zaawansowaną naukę o materiałach. Oferuje obiecujący sposób przekształcania odpadów plastikowych w cenne zasoby, jednocześnie rozwijając technologie czystej energii.

Publikacja naukowa 1 

Rapid synthesis of MIV-based multimetal–organic frameworks for photopolymerization of methyl methacrylate under visible light 

w ACS Applied Materials & Interfaces

https://pubs.acs.org/aamick/article/18/12/17895/5137270/Rapid-Synthesis-of-MIV-Based-Multimetal-Organic 

Opis popularyzacyjny: 
Publikacja opisuje opracowanie szybszej i prostszej metody syntezy wielometalicznych materiałów MOF opartych na cyrkonie, hafnie i tytanie. Zamiast klasycznej syntezy solvotermalnej, zwykle wymagającej wysokociśnieniowego reaktora i około 24 godzin, autorzy zastosowali metodę hot injection. Polega ona na szybkim wstrzyknięciu prekursorów metali do gorącego roztworu zawierającego ligand organiczny. Dzięki temu materiały można otrzymać w około 4 godziny, w zwykłej kolbie laboratoryjnej i pod ciśnieniem atmosferycznym.

Najważniejszym wynikiem pracy było otrzymanie bimetalicznego materiału ZrHf/BDC-NH₂, zawierającego jednocześnie cyrkon i hafn. Materiał miał uporządkowaną strukturę typu NH₂-UiO-66, nanometryczne cząstki o kształcie zbliżonym do oktaedrów oraz dobrą zdolność do pochłaniania światła widzialnego. Spośród wszystkich badanych próbek wykazywał też najwyższą odpowiedź fotoprądową, co wskazywało na skuteczne generowanie i rozdzielanie elektronów oraz dziur po naświetleniu. Autorzy wykorzystali otrzymane materiały jako fotokatalizatory polimeryzacji metakrylanu metylu, czyli reakcji prowadzącej do powstania PMMA — przezroczystego tworzywa znanego jako szkło akrylowe lub pleksi. Najaktywniejszy ZrHf/BDC-NH₂ pozwolił uzyskać 47,7 mg polimeru w ciągu 4 godzin pod wpływem światła widzialnego, podczas gdy bez fotokatalizatora powstawało jedynie 4,65 mg produktu. Szczególnie skuteczne okazało się światło monochromatyczne o długości fali 430 nm. Po 24 godzinach otrzymano wtedy około 700,5 mg PMMA, podczas gdy w próbie bez katalizatora zaledwie 4,2 mg. Duże znaczenie praktyczne ma fakt, że reakcję można było prowadzić także przy użyciu niedrogich diod LED emitujących światło 430 nm. W takich warunkach w ciągu 4 godzin otrzymano 87,5 mg polimeru. Materiał zachowywał aktywność podczas kolejnych cykli, a jego struktura i kształt cząstek nie zmieniły się istotnie nawet po 44 godzinach pracy. Niewielki spadek wydajności w trzecim cyklu autorzy wiązali głównie ze stratami fotokatalizatora podczas jego odzyskiwania i oczyszczania. Badania mechanizmu wykazały, że po pochłonięciu światła w materiale powstają elektrony i dziury. Elektrony redukują związek pomocniczy, prowadząc do powstania rodników, które rozpoczynają łączenie kolejnych cząsteczek monomeru w długi łańcuch polimerowy. Eksperymenty z substancjami wychwytującymi elektrony potwierdziły, że to właśnie elektrony odgrywają kluczową rolę w inicjowaniu polimeryzacji. Wniosek z publikacji jest taki, że metoda hot injection może być atrakcyjną alternatywą dla klasycznej syntezy MOF-ów: jest szybsza, wymaga prostszej aparatury, zużywa mniej energii i ma większy potencjał skalowania. Najbardziej obiecujący materiał cyrkonowo-hafnowy może natomiast znaleźć zastosowanie jako fotokatalizator do prowadzenia polimeryzacji pod wpływem światła widzialnego, w tym z wykorzystaniem energooszczędnych źródeł LED.